Растворы слабых кислот и оснований

Растворы слабых электролитов характеризуются двумя величинами: степенью диссоциации (α), которая показывает долю распавшихся молекул, и константной диссоциации (К_дис). Константа диссоциации есть не что иное, как константа равновесия для реакции диссоциации. Константа диссоциации определяет глубину протекания процесса диссоциации, чем меньше К_дис, тем слабее электролит. Согласно закону разбавления Оствальда эти величины связаны соотношением:

  при α << 1 формулу можно упростить К_дис α²С.

 

Пример 1. Вычислите рН 0,02 М раствора сероводородной кислоты.

Решение: Двухосновная слабая кислота диссоциирует в две ступени:

H₂S ↔ H⁺ + HS^–;     HS^– ↔ H⁺ + S^2–,

каждой из которых отвечает своя константа диссоциации:

 

По данным справочной литературы,

К_l (H₂S) = 8,9 · 10^–8,            K_ll (H₂S) = 2,5 · 10^–13

 

Так как К_l превышает К_ll более чем в 1000 раз, то вычисляем [H⁺], учитывая только первую ступень диссоциации. Примем концентрацию ионов водорода за х и учтем, согласно уравнению диссоциации сероводородной кислоты по I ступени, что концентрация [H⁺] = [HS^–] = х, а равновесная концентрация недиссоциированных молекул

 [H₂S] = CH₂S – x ≈ CH₂S.

Тогда

моль/л;

 отсюда рН = –lg 4,2 · 10^–5 = 4,34.

Пример 2. Вычислите рН 0,001 М раствора аммиака

 

.

Решение: В водном растворе аммиака имеет место равновесие

NH₃ · H₂O ↔ NH₄⁺ + OH^–;

Так как < 10^–4, то равновесная концентрация недиссоциированных молекул аммиака практически равна его общей концентрации [NH₃] = 0,001 моль/л.

По аналогии с предыдущей задачей:

 моль/л.

Из ионного произведения воды K_W=[H⁺] · [OH^–] = 1,01 · 10^–14 находим концентрацию катионов водорода:

 моль/л;

 

pH = –lg 7,6 · 10^–11 = 10,10.

 

Пример 3. Какая масса азотистой кислоты содержится в 0,40 л раствора, имеющего рН = 3,00? (К_а = 4,6 · 10^–4)

Решение: Так как рН = 3,00, то [H⁺] = 10^–3 моль/л.

HNO₂ ↔ H⁺ + NO₂^–.

Из закона разбавления Оствальда следует, что

[H⁺]² = K_a ·

Отсюда  поскольку

 

 m(HNO₂) = C_M · M · V_р-ра = 2,2 10^–3 · 47 · 0,40 = 4,14 · 10^–2 г.

 

Контрольные вопросы

1. Почему шкала значений рН водных растворов кислот, оснований и других соединений находится в пределах от 0 до 14? Может ли рН водного раствора быть больше 14?

2. Назовите все ионы, которые присутствуют в водном растворе серной кислоты.

3. Расположите в ряд по возрастанию величины рН следующие растворы:

а. рН = 3,00;

b. pOH = 3,00;

c. [OH^–] = 10^–5 моль/л;

d. [H⁺] = 10^–6 моль/л;

е. [H⁺] = [OH^–].

4. При равной молярной концентрации растворы каких кислот будут иметь меньшее значение рН:

а) HCl или CH₃COOH; b) HNO₂ или HClO; c) HCl или HClO₂?

5. Какой концентрации ионов водорода соответствуют значения рН: 3,00; 7,00; 10,00; 12,00?

6. Дайте определение степени диссоциации слабого электролита. Как степень диссоциации связана с константой диссоциации?

7. Как зависит степень диссоциации от концентрации электролита в растворе?

8. Напишите уравнения ступенчатой диссоциации Pb(OH)₂ и H₃PO₄ и выражения для констант диссоциации по каждой из ступеней.

9. Катион Cr³⁺ и катион Fe³⁺ присутствуют в растворах с одинаковой ионной силой. Отличается ли активность этих ионов в растворах?

 

Задачи для самостоятельного решения

1. Рассчитайте концентрации ионов Н⁺ и ОН^– в 0,01 М растворе КОН.

2. Раствор Ва(ОН)₂ имеет рН = 11,00. Определите молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента гидроксида бария.

3. Вычислите рН 0,01 М раствора уксусной кислоты, если константа ее диссоциации равна 1,75 · 10^–5.

4. Вычислите рН 0,01 М раствора уксусной кислоты, если степень ее диссоциации равна 4,00 %.

5. В растворе какой кислоты при одинаковой молярной концентрации, равной 0,10 моль/л, степень диссоциации кислоты наименьшая:

а). HNO₂;   b). HClO;   c). HCN?

6. Рассчитайте ионную силу раствора, в одном литре которого присутствуют 0,01 моль катионов натрия и 0,005 моль сульфат-анионов.

7. Рассчитайте ионную силу раствора, в одном литре которого растворено 11,10 г CaCl₂.

8. Раствор гидроксида калия разбавили водой до изменения рН раствора на 1. Во сколько раз разбавили этот раствор?

9. Рассчитайте [H⁺] в растворе, если рН равно: 3,70; 11,60.

10. Рассчитайте рН следующих растворов: 0,10М HCl; 0,10М Н₃ВО₃; 0,10М NH₃∙H₂O

11. Рассчитайте молярную концентрацию муравьиной кислоты, если степень диссоциации 0,05 %.

12. В 0,05М растворе циановодородной кислоты степень диссоциации равна 1,26 · 10^–4. При какой концентрации кислоты степень ее диссоциации увеличится в 5 раз?

13. Вычислите равновесные концентрации всех продуктов диссоциации по ступеням в 0,01М растворе фосфорной кислоты.

14. Какая масса НСООН содержится в 0,30 л раствора этой кислоты, имеющей рН = 4,00?

15. Чему равна константа диссоциации кислоты, если рН 0,080М раствора кислоты равен 2,40?

16. Вычислите рН раствора, в 0,40 л которого содержится 0,40 моль аммиака.

17. Рассчитайте молярную концентрацию фосфорной кислоты в растворе с рН = 2,70.

18. Вычислите рН 0,05М раствора азотной кислоты.

19. Рассчитайте ионную силу раствора и рН в растворе следующего состава: 0,20М H₂SO₄ и 0,10М K₂SO₄.

20. Рассчитайте ионную силу, активность иона ОН^– и рН в растворе содержащего 0,05М Ва(ОН)₂ и 0,10М КСl.

21. Рассчитайте рН 0,30М раствора серной кислоты с учетом ионной силы раствора.

22. Рассчитайте, как изменится рН 0,50М раствора КОН при введении в него 0,50 моль/л KCl.

23. Раствор содержит 500 г воды; 0,25 моль сульфата натрия и 0,30 гидроксида натрия. Определите рН этого раствора.

24. Раствор содержит 0,98 г серной кислоты; 0,12 г хлорида натрия и 0,29 г сульфата натрия в 100 г воды. Вычислите рН этого раствора.

25. Рассчитайте рН раствора, полученного при сливании 50 мл 0,05М раствора серной кислоты и 50 мл 0,08М раствора гидроксида натрия.

26. Определите рН полученного раствора, если к 200 мл 1,00 % КОН прибавить 10 мл 8,00 % раствора азотной кислоты (плотность 1,04 г/мл).

27. Вычислите рН раствора, полученного при сливании 200 мл 0,01М Ва(ОН)₂ и 5,00 мл 2,00 % раствора серной кислоты (плотность 1,01 г/мл).